На протяжении всей своей истории человечеству необходимо было измерять время. Один из самых древних способов определения времени опирался на смену дня и ночи, то есть на собственное (суточное) вращение Земли. Другой, не менее древний, основывается на годовом вращении (орбитальном движении) Земли вокруг Солнца.
Эти методы привели к появлению первых единиц измерения времени: год, сутки, час, секунда [1, 2]. Со временем выяснилось, что определяемые такими естественными методами единицы времени непостоянны: секунда сегодня одна, а завтра — другая из-за чего расчёты будут получаться неточными.
Решением проблемы непостоянства единиц времени является разработка более точных методов определения времени. Так было положено начало возникновению стандартов времени — стандартов представления, определения и измерения времени.
Видимое и среднее солнечное время
Стандарт видимого солнечного (синодического) времени основывается на солнечных сутках, которые определяются через смену дня и ночи, но более точно солнечные сутки определяются, как время необходимое для двух последовательных прохождений Солнца через плоскость одого и того же меридиана, например на 67-м меридиане (67° восточной долготы), и без учёта широты.
Наличие наклона эклиптики и эллиптической формы земной орбиты продолжительность видимых продолжительность солнечных суток не является постоянной. Более постоянным является среднее солнечное время в определённом месте Земли (определены долгота и широта). Средние солнечные сутки являются усреднёнными видимыми солнечными сутками за один год (одно обращение Земли вокруг Солнца), то есть средние сутки рассчитываются в предположении, что Земля (или Солнце) движется равномерно по орбите в течение года. Тем не менее среднее солнечное время также подвержено изменениям, вызванным гравитационным взаимодействием Земли и Луны, а также перемещением масс Земли и её специфическим движением [3].
На основании средних солнечных суток была определена секунда, как 1/86400 часть средних солнечных суток [1, 5].
Звёздное время
Проблемой солнечного времени является несовпадение солнечных суток с периодом обращения Земли вокруг своей оси на почти 4 минуты. Поэтому солнечные сутки заменяют на звёздные или сидерические сутки (время). Определение звёздных суток проводится точно так же, как и солнечных суток только вместо Солнца берётся какая-либо «неподвижная» звезда (очень далеко расположенная звезда) [3, 4].
Всемирное время
В зависимости от точки на Земле среднее солнечное время будет разным, поэтому возникает понятие местного времени. Так, местное время на Гринвичском меридиане (Нулевом меридиане — 0° долготы) назвали Всемирным временем (англ. Universal time, UT), которое до этого носило название Гринвичского среднего времени (англ. Greenwich mean time, GMT).
Введение UT было обусловлено глобализацией: рост международной торговли и социальных международных связей [6]. Позже Всемирное время обзавелось несколькими версиями.
UT0
Для повышения точности всемирного времени в середине 20 века Международным бюром времени (BIH) были предложены модификации UT, а за первоначальным вариантом UT (GMT) оставили обозначение UT0 [6, 7].
В настоящее время UT0 определяется в обсерваториях по наблюдениям суточного движения звезд или внегалактических радиоисточников, а также по дальномерным наблюдениям Луны и искусственных спутников Земли [6].
UT1
Поскольку собственное вращение Земли непостоянно точные измерения и исследования, например для астрономии, не могут быть проведены без корректировки UT0.
Одна из таких корректировок основывается на учёте полярного движения: периодическое движение оси вращения Земли относительно её поверхности около средней точки на ней. Стандарт UT, учитывающий полярное движение получил обозначение UT1. На практике под UT часто понимают UT1 [5, 7].
Разница между UT0 и UT1 составляет несколько десятков миллисекунд, но даже такое расхождение существенно для астрономических и геодезических исследований и работ [6, 7].
У UT1 есть подвиды UT1R и UT1D, которые учитывают приливно-отливные явления Мирового океана.
UT2
Стандарт UT2 учитывает корректировку, как и UT1, на полярное движение, а также корректировки на сезонные факторы: сезонный рост растительности, распределение и движение водяных и ледяных масс Земли. Подвид UT2R учитывает также приливно-отливные явления и является самой равномерной версией всемирного времени.
С 1956 по 1972 года UT2 был рекомендован для передачи через радиовещательные организации, но в настоящее время он вышел из употребления [6, 7].
Всемирное координированное время
Всемирное координированное время (англ. Coordinated Universal Time, UTC) основывается на Международном атомном времени (TAI) (см. ниже). Его введение обусловлено тем, что шкалы TAI и UT не согласуются между собой (TAI нельзя конвертировать в UT) и нужна промежуточная шкала, которой стало UTC.
Разница между UT1 и UTC не превышает 1 с, при этом атомное время корректируется на 1 с, когда его расхождение с UT1 превышает 0,5 с. Коррекция производится в последнюю секунду 30 июня или 31 декабря либо в обе даты [5].
В настоящее время стандарт UTC является основным стандартом в гражданской сфере: время, транслируемое новостным каналом, время на экране вашего телефона, время вылета самолёта, отправки поезда и так далее — всё это, скорее всего, приведено в формате UTC.
Часовые пояса также основываются на UTC. Смещения от UTC+00:00 варьируется от UTC-12:00 до UTC+14:00.
Вместе с часовыми поясами UTC взято за основу, в целом, гражданского времени — национального стандартного времени в часовом поясе с фиксированным смещением от всемирного координированного времени (UTC), возможно, с поправкой на переход на летнее время в течение части года.
Геоцентрическое координатное время
Геоцентрическое координатное время (фр. Temps-Coordonnée Géocentrique, TCG) используется в геоцентрической небесной системе отсчета. Отличается от земного времени лишь тем, что время на Земле течёт медленнее, чем в TCG: разница составляет около 22 миллисекунд за год [8].
Обычно этот стандарт используют во всех расчетах, связанных с прецессией, нутацией, Луной и искусственными спутниками Земли [9].
Барицентрическое координатное время
Барицентрическое координатное время (фр. Temps-coordonnée barycentrique, TCB) используется во всех расчетах, связанных с орбитами планет, астероидов, комет и межпланетных космических аппаратов в Солнечной системе. Как и TCG неподвержено гравитационному замедлению со стороны солнечной системы.
Расхождение с земным времен составляет 490 миллисекунд в год [10].
Эфемеридное время
Эфемеридное время (англ. ET) было введено в 1950-х Международным астрономическим союзом для проведения более точных астрономических исследований, поскольку до ET использовался стандарт UT, который основывался на суточном вращении Земли, что является ненадёжным методом для астрономов [11].
Эфемеридное время определяется динамически с помощью динамики Ньютона и эфемерид — таблиц, в которых записаны положения небесных тел [12, 13]. Иными словами, время рассчитывается исходя из уравнений движения небесных тел в соответствие с механикой Ньютона и эмпирических данных движения тел (эфемерид).
Такой подход привел к тому, что эфемеридное время стало первым динамическим временем (динамической временной шкалой).
В 1984 году из-за введения принципов теории относительности в астрономические измерения Международным астрономическим союзом было решено заменить ET на земное динамическое время (TDT) [14] и барицентрическое динамическое время (TDB). Но в процессе возникли трудности и было решено заменить TDT и TDB на земное время (TT), TCG и TCB [15].
Международное атомное время
На данный момент Международное атомное время (фр. Temps atomique international, TAI) является наиболее точным в определении и измерении времени стандартом. TAI определяется, как средневзвешенное значение времени, которое показывают более 450 атомных часов, большинство из которых цезиевые. С помощью GPS и двусторонней спутниковой передачи времени и частоты TAI добивается сильнейшей стабильности и точности. Поэтому оно больше оправдывает себя в качестве всемирного времени, чем одноимённые оригинальные стандарты (UT(1,2)).
Именно на этих атомных часах отсчитываются секунды в современно их определении.
До появления атомных часов секунда в Международной системе единиц (рус. СИ, англ. SI) определялась через средний тропический год (время необходимое Солнцу для совершения двух последовательных проходов через плоскость одного меридиана вдоль плоскости эклиптики) следующим образом:
секунда — это 1/31 556 925,9747 доля тропического 1900 года 0 января (31 декабря) в 12 часов по эфемеридному времени.
С 1967 года секунду переопределили через атомное время с помощью атомных часов следующим образом:
секунда — это длительность 9 192 631 770 актов излучения, соответствующего переходу электрона между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 [5, 16].
Есть данные о будущем переопределение секунды через постоянную Ридберга и оптические часы.
Ссылки
1. https://www.ptb.de/cms/en/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-44/ag-441/realisation-of-the-si-second/history-of-the-unit-of-time.html
Архивированная версия: https://web.archive.org/web/20240815123854/https://www.ptb.de/cms/en/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-44/ag-441/realisation-of-the-si-second/history-of-the-unit-of-time.html
2. https://www.hautehorlogerie.org/en/watches-and-culture/library/a-history-of-time-measurement
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Time_standard
4. https://en.wikipedia.org/wiki/Sidereal_time
5. https://www.nkj.ru/archive/articles/16859/
6. https://en.wikipedia.org/wiki/Universal_Time
7. https://www.timeanddate.com/time/universal-time.html
8. Geocentric Coordinate Time. Oxford Reference. Retrieved 16 Aug. 2024, from https://www.oxfordreference.com/view/10.1093/oi/authority.20110803095848315.
9. https://en.wikipedia.org/wiki/Geocentric_Coordinate_Time
10. https://en.wikipedia.org/wiki/Barycentric_Coordinate_Time
11. Sadler, D. H. (1956). EPHEMERIS TIME. In Empire Survey Review (Vol. 13, Issue 102, pp. 367–369). Informa UK Limited. https://doi.org/10.1179/sre.1956.13.102.367
12. Britannica, T. Editors of Encyclopaedia (1998, July 20). Ephemeris Time. Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/Ephemeris-Time
13. Britannica, T. Editors of Encyclopaedia (2019, March 12). ephemeris. Encyclopedia Britannica. https://www.britannica.com/science/ephemeris
14. https://dictionary.obspm.fr/index.php?formSearchTextfield=ephemeris+time
15. https://en.wikipedia.org/wiki/Ephemeris_time
16. https://en.wikipedia.org/wiki/Second